计算机组成原理(第六章1)解析
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什么是总线： 计算机系统中连接各个部件的信息传输线，称为
“总线”。—— 系统各功能部件共享的传输介质，是
传送数据或信息的公共通路。 总线上信息的传送方式：
串行：
并行：
(逐位传送) (并位传送)
总线的分类：
单处理器系统中的总线，一般分为三类：
(1) 内部总线：CPU内部（含运算器）各部件之间
的总线。（又称：片内总线）
进行数据交换。（与访问内存单元类似）
(4) DMA操作: 某些外围设备还可以通过总线直接
与主存进行数据的批量交换 (DMA操作)。
(5) 单总线结构易于系统扩展：只需在系统总线上 挂接增添部件即可。
注意到：
在单总线结构的计算机中，总线是多种部件共享 共用的唯一的信息传送通路，这就要求挂接在总线上 的各部件都应当高速运行并及时释放总线，以便使各
课程教学要求
6.4 总线的定时和数据传送模式
6.5 HOST总线和PCI总线
6.6 InfiniBand 标准
本章小结
总线系统
6.1 总线的概念和结构形态
讨论问题：
1 总线的基本概念 2 总线的连接方式 3 总线结构对计算机系统性能的影响 4 总线的内部结构 5 总线结构实例
总线系统
6.1.1 总线的基本概念
的作用和意义。
4、总线(BUS)的主要性能指标
1) 总线宽度 2) 总线带宽*
并行传输线的条数
单位时间内最大传输字节数（MB/s） 同步定时总线、异步定时总线 地址线、数据线和控制线的总和
3) 同步/异步
4) 信号线总数
【例1】(1)已知某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数
据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为 f=33MHz，则总线带宽是多少? （教材P186） (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为 f= 66MHz，则总线带宽是多少?
CPU、主存、I/O之间的互联采用多总线结构。如图所示。
北桥
PCI
南桥
（教材P188图6.2）
有何特 点？
现代总线特点: CPU总线：在CPU和cache之间采用。
系统总线：主存总线，通过“北桥”与CPU总线相连。 高速总线：连接各类并行传输信息的高速设备。如：
LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI
设备都能迅速获得总线控制权。 慢速设备如何接入？
—— 以保证总线资源的得到充分使用。 显然：这种总线结构不能适应计算机系统中包含 各类不同速度资源对总线的高效使用要求。 单总线无 —— ∴ 需要多层次总线技术的支持！
法兼顾！
DBUS
IBUS
（传统总线的多总线结构改进）
2.现代多总线结构（现代机器）
在不同的总线上并可以并行工作，从而解决了不同
速度资源对总线的传输速度要求，提高了系统总线
的整体效率，而且处理器结构的变化不影响高速总
线的工作性能。
—— 多层次总线的技术特色
总线系统
6.1.3 总线的内部结构
早期总线的内部结构如图所示，CAI演示。
这种简单的总线一般由50~100条线组成，这些线 按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。 (见后图)
物理特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序等。 地址 数据 控制
功能特性：描述总线中每一根线的功能
电气特性：传输方向和有效的电平范围。
时间特性: 各信号的时序关系。
3、总线的标准化
什么是标准化？
Industrial Standard Architecture
模块
系统
标 准 界 面
模块 总 线 标 准
ISA (16位)
总线系统
在单处理器的计算机中，若使用一条单一的系统总
线把CPU、主存和I/O设备连接在一起，称为：单总线
结构。CAI演示。
单总线结构框图：
单总线（系统总线）
I/O接口
I/O接口
…
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1 I/O 设备2
…
I/O 设备n
总线系统
单总线上进行的操作：
(1)取出指令：当CPU取一条指令时，首先把指令
(2) 系统总线：CPU同计算机系统的其它高速I/O
部件，如存储器、通道等互相连接的总线。
(3) I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总 线。
1、总线（BUS）物理实现
CPU 插板 主存 插板 I/O 插板
BUS
wk.baidu.com
主板
计算机 主板
各类接 口插槽
2.总线（BUS）的特性(教材P185)
总线系统
EISA (32位)
VESA (32位) PCI (64位) AGP RS-232
系统
USB
总线系统
即：不同厂家生产的各功能部件在实现方法上各自
不同，然而, 通过标准接口可组合成一个系统，或
者互换使用相同功能的部件。
原因: 它们都遵守相同的系统总线的要求，可以通
过总线标准接口界面实现互连，这就是总线标准化
地址（PC值）与控制信息一起送至总线上，通过总线 选定并访问 I-Cache，读出的指令，并通过总线送到IR, 完成“取指令”操作。 (2) 存取数据：CPU按指令要求，通过总线与DCache进行数据交换。
(3) I/O操作：如果CPU给出的是外围设备地址，
被选中的I/O设备通过总线与CPU或其它I/O设备之间
接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接 口（支持大容量并行I/O设备）等。 扩充总线：连接串行方式工作的中、低速I/O设备。 扩充总线通过扩充接口(南桥)与高速PCI总线相连。
“桥”实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的
逻辑电路芯片，用于粘接、贯通不同的总线。
多总线结构使得高速、中速、低速设备可以挂接
解：(1)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用τ=1/f表示，一
个总线周期传送的数据量用D表示。
则:
Dr = D×1/τ= D×f
=4B×33 M/s=132 MB/s
(2) 64位=8B， Dr= D×f =8B×66 M/s=528 MB/s
6.1.2 总线的连接方式
包括：单总线结构和多总线结构 1.单总线结构
第六章 总线系统
系 统 总 线
计算机系统的基本组成：
“系统硬件+系统软件+总线系统”
CPU
ALU
I/O 系统
寄存器组
CU
控 制 总 线 数 据 总 线 地 址 总 线
总 线 系 统
系统软件
可见：总线系统在计算机组成 中的作用。
本章内容：
6.1 总线的概念和结构形态 6.2 总线接口
6.3 总线的仲裁
ABUS
DBUS
“总线”。—— 系统各功能部件共享的传输介质，是
传送数据或信息的公共通路。 总线上信息的传送方式：
串行：
并行：
(逐位传送) (并位传送)
总线的分类：
单处理器系统中的总线，一般分为三类：
(1) 内部总线：CPU内部（含运算器）各部件之间
的总线。（又称：片内总线）
进行数据交换。（与访问内存单元类似）
(4) DMA操作: 某些外围设备还可以通过总线直接
与主存进行数据的批量交换 (DMA操作)。
(5) 单总线结构易于系统扩展：只需在系统总线上 挂接增添部件即可。
注意到：
在单总线结构的计算机中，总线是多种部件共享 共用的唯一的信息传送通路，这就要求挂接在总线上 的各部件都应当高速运行并及时释放总线，以便使各
课程教学要求
6.4 总线的定时和数据传送模式
6.5 HOST总线和PCI总线
6.6 InfiniBand 标准
本章小结
总线系统
6.1 总线的概念和结构形态
讨论问题：
1 总线的基本概念 2 总线的连接方式 3 总线结构对计算机系统性能的影响 4 总线的内部结构 5 总线结构实例
总线系统
6.1.1 总线的基本概念
的作用和意义。
4、总线(BUS)的主要性能指标
1) 总线宽度 2) 总线带宽*
并行传输线的条数
单位时间内最大传输字节数（MB/s） 同步定时总线、异步定时总线 地址线、数据线和控制线的总和
3) 同步/异步
4) 信号线总数
【例1】(1)已知某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数
据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为 f=33MHz，则总线带宽是多少? （教材P186） (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为 f= 66MHz，则总线带宽是多少?
CPU、主存、I/O之间的互联采用多总线结构。如图所示。
北桥
PCI
南桥
（教材P188图6.2）
有何特 点？
现代总线特点: CPU总线：在CPU和cache之间采用。
系统总线：主存总线，通过“北桥”与CPU总线相连。 高速总线：连接各类并行传输信息的高速设备。如：
LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI
设备都能迅速获得总线控制权。 慢速设备如何接入？
—— 以保证总线资源的得到充分使用。 显然：这种总线结构不能适应计算机系统中包含 各类不同速度资源对总线的高效使用要求。 单总线无 —— ∴ 需要多层次总线技术的支持！
法兼顾！
DBUS
IBUS
（传统总线的多总线结构改进）
2.现代多总线结构（现代机器）
在不同的总线上并可以并行工作，从而解决了不同
速度资源对总线的传输速度要求，提高了系统总线
的整体效率，而且处理器结构的变化不影响高速总
线的工作性能。
—— 多层次总线的技术特色
总线系统
6.1.3 总线的内部结构
早期总线的内部结构如图所示，CAI演示。
这种简单的总线一般由50~100条线组成，这些线 按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。 (见后图)
物理特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序等。 地址 数据 控制
功能特性：描述总线中每一根线的功能
电气特性：传输方向和有效的电平范围。
时间特性: 各信号的时序关系。
3、总线的标准化
什么是标准化？
Industrial Standard Architecture
模块
系统
标 准 界 面
模块 总 线 标 准
ISA (16位)
总线系统
在单处理器的计算机中，若使用一条单一的系统总
线把CPU、主存和I/O设备连接在一起，称为：单总线
结构。CAI演示。
单总线结构框图：
单总线（系统总线）
I/O接口
I/O接口
…
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1 I/O 设备2
…
I/O 设备n
总线系统
单总线上进行的操作：
(1)取出指令：当CPU取一条指令时，首先把指令
(2) 系统总线：CPU同计算机系统的其它高速I/O
部件，如存储器、通道等互相连接的总线。
(3) I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总 线。
1、总线（BUS）物理实现
CPU 插板 主存 插板 I/O 插板
BUS
wk.baidu.com
主板
计算机 主板
各类接 口插槽
2.总线（BUS）的特性(教材P185)
总线系统
EISA (32位)
VESA (32位) PCI (64位) AGP RS-232
系统
USB
总线系统
即：不同厂家生产的各功能部件在实现方法上各自
不同，然而, 通过标准接口可组合成一个系统，或
者互换使用相同功能的部件。
原因: 它们都遵守相同的系统总线的要求，可以通
过总线标准接口界面实现互连，这就是总线标准化
地址（PC值）与控制信息一起送至总线上，通过总线 选定并访问 I-Cache，读出的指令，并通过总线送到IR, 完成“取指令”操作。 (2) 存取数据：CPU按指令要求，通过总线与DCache进行数据交换。
(3) I/O操作：如果CPU给出的是外围设备地址，
被选中的I/O设备通过总线与CPU或其它I/O设备之间
接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接 口（支持大容量并行I/O设备）等。 扩充总线：连接串行方式工作的中、低速I/O设备。 扩充总线通过扩充接口(南桥)与高速PCI总线相连。
“桥”实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的
逻辑电路芯片，用于粘接、贯通不同的总线。
多总线结构使得高速、中速、低速设备可以挂接
解：(1)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用τ=1/f表示，一
个总线周期传送的数据量用D表示。
则:
Dr = D×1/τ= D×f
=4B×33 M/s=132 MB/s
(2) 64位=8B， Dr= D×f =8B×66 M/s=528 MB/s
6.1.2 总线的连接方式
包括：单总线结构和多总线结构 1.单总线结构
第六章 总线系统
系 统 总 线
计算机系统的基本组成：
“系统硬件+系统软件+总线系统”
CPU
ALU
I/O 系统
寄存器组
CU
控 制 总 线 数 据 总 线 地 址 总 线
总 线 系 统
系统软件
可见：总线系统在计算机组成 中的作用。
本章内容：
6.1 总线的概念和结构形态 6.2 总线接口
6.3 总线的仲裁
ABUS
DBUS